ТЕМНО-КАШТАНОВЫЕ ПОЧВЫ СЕВЕРНОГО И ЦЕНТРАЛЬНОГО КАЗАХСТАНА: АГРОГЕНЕЗ, ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ РЕАБИЛИТАЦИИ В УСЛОВИЯХ СТЕПНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

DARK CHESTNUT SOILS OF NORTHERN AND CENTRAL KAZAKHSTAN: AGROGENESIS, PHYSICAL CONDITION AND THE PROBLEMS OF ECOLOGICAL REHABILITATION DURING MANAGEMENT OF STEPPE RESOURCES

А.А.Науменко

A.A.Naumenko

Казахский национальный университет имени аль-Фараби

(05078 г. Алматы, пр. аль-Фараби, 71)

Al-Farabi Kazakh State University

 (71 Al-Farabi str., Almaty 05078)

e-mail: a_naumenko2008@bk.ru

По результатам многолетних исследований агрогенеза темно-каштановых карбонатных почв рассматривается современное их физическое состояние, делается акцент на разделение физического состояния почв пашни на определенные временные отрезки (уровни) их эволюции.

Ставятся проблемы экологической реабилитации почв, находящихся на грани критического состояния и предлагаются некоторые пути решения проблем.

Current physical condition of dark chestnut soils is reviewed upon results of multi-year research of their agrogenesis and the accent is made on separation of the physical condition of tilled soils into different time periods (levels) of their evolution.

The problems of ecological rehabilitation of the soils are raised and several solutions are suggested. 

Площадь зоны сухих степей на равнинной территории Казахстана равна 52 млн. га, значительная часть которой сосредоточена в северных и центральных регионах страны. При этом  более 10 млн. га темно-каштановых почв зоны в середине 1950-х гг. были распаханы и сейчас  используются в основном  под посевы яровой пшеницы сильных и твердых сортов, средняя урожайность которой на однородных массивах этих почв составляет 10,1 ц/га, а по хозяйствам – 8,1ц/га [1].

На протяжении боле 40 лет здесь применяется почвозащитная система земледелия с  плоскорезной обработкой почв и короткой ротацией культур в  паро-зерновых севооборотах. Вполне естественно, как и следовало ожидать,  в результате столь длительного их использования они претерпели  существенные изменении и в настоящее время находятся в далеко не лучшем и даже в критическом  состоянии

Представленные на данный Симпозиум  материалы исследований базируются на генетическом подходе к изучению почвенного  агрогенеза, а в основе научного поиска лежит многолетний (начиная с начала 1970-х гг.) полевой эксперимент – стационарные методы изучения динамики почвенных процессов (комплексный мониторинг). Выявление  окультуривания (трансформации) почв при этом проводилась традиционно – путем сравнения опытных данных, полученных на пашне с целинной почвой – аналогом

В результате многолетнего использования темно-каштановых почв в земледелии произошло разрушение и распыление макроструктуры их пахотного горизонта. Установлено, что разрушению подверглись в основном ценные в агрономическом отношении водопрочные агрегаты крупнее 1 мм. Например, в пахотном горизонте исследуемых почв уже через 3 года после распашки целины количество их уменьшилось в 2,5–3 раза, а через 16 лет их использования количество водопрочных агрегатов крупнее 1 мм в слое 0-10 см снизилось в 25 раз и составило всего 2,6%, в слое 10-25 см – в более чем 10 раз и соответствовало 5,5%

Достижение системой (соотношением водопрочных агрегатов) равновесного состояния осуществляется формально в виде крутой параболы с начальной скоростью разрушения агрегатов 30-40% в год (за период до 2 лет) с затуханием к 7-10 году до 5-7%; причем скорость разрушения прямо пропорциональна частоте обработки почв. Затем  устанавливается равновесие с колебаниями, не превышающими 2% уровня, а в целом  процесс разрушения водопрочных агрегатов стабилизируется к 15-16 годам после начала освоения (распашки) почв.  С этого момента и по настоящее время их физические параметры (объемная масса, порозность, водопроницаемость, макроструктура находятся в динамическом равновесии («квазиравновесии») и испытывают лишь незначительные сезонные колебания, обусловленные агротехническими мероприятиями, гидрометеорологическими факторами (интенсивность летних осадков, процессы увлажнения-высыхания, замерзания-оттаивания почв и др.), что, несомненно, надо учитывать при расчетах запасов влаги и элементов питания, при проведении географо-генетических исследований и оценочных работ, а в перспективе – при классификации антропогенных почв и построении схем агроэкологического районирования

Высокая аэрация почв в течение вегетационного периода способствует развитию аэробных микроорганизмов, которые используют новообразованные гумусовые вещества как энергетический материал и  тем самым содействуют распылению структуры. Это подтверждают данные микробиологических анализов на темно-каштановых карбонатных почвах Кустанайской области

Исследования  также показали, что обработка данных почв при «влажности «структурообразования» (20-25% от массы почвы) способствует незначительному увеличению  (на 10-20%) структурных отдельностей размером крупнее 1 мм, которые обычно не обладают водопрочностью. Кривая зависимости структурного состояния почв каштанового типа от их влажности имеет вид параболы и выражается уравнением регрессии: y= 41,3+1,7х–0,04х², где

y – значение ветроустойчивой структуры (агрегаты крупнее 1 мм), %%, х – влажность , в %%. Это уравнение регрессии отражает динамику структуры и может быть использовано для прогнозирования структурного состояния почв  при различном их увлажнении [4].

Экспериментальные исследования водных свойств темно-каштановых  карбонатных почв показали, что в результате их длительного использования агрегаты размером 10-2 мм стали неводопрочными, а водопрочность остальных оказалась весьма слабой. Следствием этого стало ускорение процесса усадки и уплотнения пахотных почв после их увлажнения. Установлена средняя величина связи (коэффициент корреляции r=0,68) между усадкой и водопрочной почвенной структурой(x):y₁=30,50–0,0,71x,

Y₂=9,90–0,08x, y₃=9,80–0,03x,

Кроме того, выявлены тесные связи между усадкой и величиной начального (х) увлажнения почв(r=0,71-0,84):y₁=2,60+0,50x,  y₂=2,+0,21x,  y₃=2,00+0,16 x, где y₁, y₂, y_{3 –} усадка почвы, %%  –  объемная, вертикальная и горизонтальная соответственно [3].

Приведенные и другие установленные нами зависимости можно использовать для прогнозирования интенсивности (скорости) уплотнения старопахотных почв,  определив их влажность и объемную массу (после выпадения осадков) и зная заранее уровень водопрочности агрегатов пахотного горизонта.

Весьма показательно  – процессы уплотнения и усадки пахотного горизонта почв, используемых в пашне  25 лет и более, идут  под влиянием атмосферных осадков на 70-80% быстрее, чем на целине (слой -25 см). Установлено:  под воздействием тяжелой сельскохозяйственной техники произошло уплотнение подпахотных и нижележащих горизонтов почв (на глубине 50 см – до 10%, на глубине 100 см – на 3-5%).

Исходя из особенностей динамики физических свойств старопахотных темно-каштановых почв в условиях почвозащитной системы земледелия, применяемой в степной зоне Казахстана, экспериментально определены и предложены для практической реализации при изучении агрогенных изменений почв степной пашни следующие основные уровни их современного  физического состояния: временные, равновесные, критические, оптимальные (таблица 1). Дадим их определения:

1. Временный уровень – физическое состояние почвы сразу после глубокой обработки; оно неустойчиво – под влиянием внутренних и внешних факторов осуществляется более или менее постепенный переход к среднему равновесному и равновесному уровню.
2. Средний равновесный уровень – среднее за ряд лет физическое состояние почвы, которое устанавливается в пахотном горизонте в конце вегетационного периода (сентябрь) на фоне существующей агротехники и определенных погодно-климатических условий.
3. Равновесный уровень – физическое состояние почвы, когда не происходит существенных его изменений во времени, т.е. наступает динамическое равновесие. Такой уровень обычно можно наблюдать на старопахотных полях изученных почв, где в течение двух и более лет не производилась глубокая обработка
4. Оптимальный уровень – физическое состояние почвы, при котором создаются наиболее благоприятные условия для произрастания культурных растений, т.е. когда получают наивысший урожай в данной природной зоне при средних метеорологических условиях.
5. Критический уровень – физическое состояние почвы, при котором культурные растения резко снижают рост и развитие, имеют к угнетенный вид и крайне низкую урожайность.

Наши многолетние экспериментальные полевые исследования, анализ ранее опубликованных и фондовых материалов убеждают, что «уровни физического состояния» пахотных почв, реально существующие в природе, целесообразно использовать  при изучении всего комплекса свойств и режимов почв степного ряда, когда речь идет о познании их агрогенеза или создании моделей почвенного плодородия.

При таком подходе представляется вполне закономерным выявление количественных зависимостей почвенных режимов (водного, воздушного, температурного, питательного, биологического) от конкретного состояния (уровня) пахотного горизонта – объемной массы, водопроницаемости, порозности, структуры, При этом физическое состояние почв следует рассматривать как экологическую среду

Для  протекания всех внутрипочвенных процессов, а также роста и развития культурных растений. Следуя данному подходу, при наличии значительного количества (и повторностей) экспериментальных данных, применение методов математической статистики позволяет проводить определение некоторых  уровней свойств почв расчетным способом. Так, например, равновесный уровень плотности (объемной массы) может быть определен, согласно В.В. Козину (1989) следующим уравнением регрессии: y=1,202+0,03x+0,009z–0,17 lnC, где y – равновесная плотность, г/см^{3; ;} x – содержание фракции крупной пыли (0,05-0,01мм),%;z – содержание фракции средней пыли (0,01 – 0,005 мм),%; С – содержание гумуса,%

По величине равновесной плотности(x) определяем почвенно-гидрологические константы, например, влагоемкость (y): y=48,42–16,09x или влажность разрыва капиллярных связей (z):z=24,12–3,94x;

Установлено, что процесс уплотнения (самоуплотнения) пахотного горизонта темно-каштановых карбонатных почв до величины равновесной плотности, как правило, (но не всегда) длится 2-3 года после глубокой плоскорезной обработки. Соответственно через такое же время устанавливаются равновесные уровни порозности и водопроницаемости

 При анализе таблицы 1 можно заметить, что равновесные уровни плотности (объемной массы), порозности и водопроницаемости близки к критическим или практически совпадают с ними. Вместе с   тем, равновесный уровень всех водопрочных агрегатов «заходит» за критический уровень (их мало) на 10-12% (агрегаты крупнее 1 мм) и на 5-10% (агрегаты крупнее 0,25 мм) и не улучшаются до оптимального своевременной обработкой. Не достигают оптимального и неводопрочные агрегаты крупнее 1 мм (сухое просеивание). Таким образом, проведенные исследования однозначно свидетельствуют: физическое состояние пахотного горизонта темно-каштановых карбонатных почв находится на грани критического. Относительно высокие значения  равновесной объемной массы пахотного горизонта говорят о том, что уровень содержания водопрочных агрегатов уже не обеспечивает достаточной устойчивости его сложения. Сравнительно низкая равновесная водопроницаемость не способствует полному поглощению ливневых осадков и талых вод и это затрудняет накопление в почве влаги, увеличивает сток, усиливает процессы эрозии, которые здесь идут полным ходом особенно в последние годы. Кроме того, степной пашне постоянно угрожает дефляция – в слое 0-10 см количество структурных отдельностей крупнее 1 мм (сухое просеивание, при равновесном уровне меньше 50% (порога ветроустойчивости). Улучшенная же обработкой структура, как правило, неустойчива во времени.

Таблица 1

Уровни физического состояния пахотных темно-каштановых карбонатных почв

Примечание: Структура: в числителе – результаты сухого просеивания, в знаменателе – мокрого.

В целях экологической  реабилитации изученных почв пашни, могут быть использованы данные о соотношении различных уровней физического состояния почв при назначении (планировании) тех или иных способов и интенсивности их механической обработки

Eще большую актуальность приобретает знание и учет уровней физического состояния почв в связи с тенденцией распространения в ХХI в. в  странах мира, а в последние годы  в  России и  Казахстане, мульчирующей минимальной и нулевой обработки почв, (технология Ноу-тилл)научной основой которой является  оптимизация органического вещества в верхнем слое почвы, создание биологически активного мульчирующего слоя из перепревших и полуперепревших пожнивных остатков. Это ведет к улучшению физического состояния почвы (саморазрыхлению, увеличению водопроницаемости, сохранению влаги в почве, уменьшению эрозии), агрохимического и агробиологического ее состояния, уменьшению количества сорняков, улучшению фитосанитарного состояния посевов. 

В современном механизированном земледелии уже давно пытались использовать ноу-тилл, но применять эту технологию на практике стало возможным лишь с приходом современных гербицидов. При данной системе обработки эффективность земледелия в меньшей мере зависит от погодных условий, почва постоянно, круглый год накрыта специальным покрывалом в виде мульчи, которое хорошо пропускает влагу и в то же время препятствует непродуктивному ее испарению, уменьшает перегрев и  пересыхание почвы, способствует восстановлению деградированной структуры.

На практике установлено, что чем продолжительнее период применения технологии ноу-тилл, тем здоровее и производительнее становятся агроэкосистемы [2]. 

Список литературы:

1. Давлятшин И.Д., Науменко А.А., Христенко А.Ф. Почвы степной пашни Казахстана накануне третьего тысячелетия. Алматы: КазНУ. 1996. 40 с.
2. Драчева Л. Система мульчирующей минимальной и нулевой обработки // Аграрный Эксперт. 2011 № 4. Версия для печати. hhtp:/ www.agropressa.ru/ prnwin.php?s=08na=331
3. Зонов Г.В., Науменко А.А., Смагулов Т.А. Дифференциация структуры почвенного покрова сухой степи Тургайского плато // Почвоведение. 1983. № 12. С.17-24
4. Naumenko А.А. Seasonal dynamics of physical properties of dark chestnut calcareous soils of Northern Kazakhstan //Soviet soil science. 1979. Vol. 11. № 5. P. 42-50. (USA)